劉曉峰　陳凱強　劉文斌　李慶紅　張嵐

【摘? 要】功率型鋰離子電池具有功率密度高、充放電穩(wěn)定性好、循環(huán)壽命長等特點，已廣泛應用于電動汽車。隨著功率輸出的增加，發(fā)熱的增加會顯著影響電池性能，因此，電動汽車中鋰離子電池的熱管理非常重要。而基于熱管的電池熱管理系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活、成本低、導熱系數(shù)高等優(yōu)點，本文討論熱管耦合風冷在鋰離子電池熱管理系統(tǒng)中的應用，來增強鋰離子電池的熱性能。

【關(guān)鍵詞】鋰離子電池；熱管理系統(tǒng)；熱管；風冷

中圖分類號：U463.633? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2023 ）09-0031-03

Application of Heat Pipe Coupled Air Cooling in the Thermal Management System of Lithium Ion Batteries

LIU Xiaofeng，CHEN Kaiqiang，LIU Wenbin，LI Qinghong，ZHANG Lan

（Vehicle Electrical Design Institute of Electronic and Electrical Design Department of China

National Heavy Duty Truck Group Automotive Research Institute，Jinan 250101，China）

【Abstract】Power Li-ion batteries with high power density，good charge/discharge stability and long cycle life have been widely used in electric vehicles. With the increase of power output，the increase of heat generation will significantly affect the battery performance，therefore，the thermal management of Li-ion batteries in electric vehicles is very important. The heat pipe-based battery thermal management system has the advantages of compact structure，flexibility，low cost and high thermal conductivity. This paper discusses the application of heat pipe coupled air cooling in the thermal management system of lithium-ion battery to enhance the thermal performance of lithium-ion battery.

【Key words】Lithium-ion battery；thermal management system；heat pipe；air cooling

作者簡介

劉曉峰（1989—），男，工程師，主要從事商用車整車電器系統(tǒng)開發(fā)工作。

1? 前言

隨著工業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)化石能源的消耗速度逐漸加快，生態(tài)環(huán)境問題日益嚴重，極大地威脅著人類健康和社會的可持續(xù)發(fā)展。為了減少二氧化碳和其他溫室氣體的排放，世界主要國家和地區(qū)都制定了“碳達峰”和“碳中和”的目標。產(chǎn)生較少二氧化碳的電動汽車（EV）和混合動力電動汽車作為新一代和內(nèi)燃機動力汽車的替代品被引入。動力電池作為電動汽車的核心，其技術(shù)也在不斷發(fā)展，在眾多電池中，鋰離子電池具有能量密度高、比能量高、自放電率低、循環(huán)壽命長等優(yōu)點。然而，鋰離子電池對其工作溫度非常敏感，尤其是在高放電速率下。鋰離子電池的最佳工作溫度范圍為25～40℃，而模塊中的溫差最好保持在5℃以下[1]。因此，設(shè)計適當?shù)臒峁芾硐到y(tǒng)TMS，將電池溫度保持在最佳范圍內(nèi)并防止熱失控對于鋰離子電池的運行至關(guān)重要。

根據(jù)不同的散熱需求，研究人員提出了風冷、液冷、相變材料冷卻等多種電池熱管理技術(shù)[2-7]。風冷系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)簡單、成本低、質(zhì)量輕等優(yōu)點而被廣泛使用；液體冷卻因液體冷卻劑具有更高的傳熱系數(shù)，是一種更有效的冷卻系統(tǒng)，但會導致泄漏和短路風險；相變材料（PCM）可以成功地降低平均溫度，但存在成本高、長期缺乏熱穩(wěn)定性、導熱系數(shù)低、熔化后泄漏等問題。熱管是眾所周知的熱超導體，具有許多優(yōu)點，包括低成本、高傳熱性能和效率[8]。此外，熱管幾何形狀靈活，分為傳統(tǒng)圓管、長扁管和板式熱管，結(jié)構(gòu)緊湊，使用壽命長。故基于熱管的冷卻技術(shù)近年來受到廣泛關(guān)注，本文研究使用熱管和空氣冷卻的冷卻技術(shù)的應用。

2? 鋰離子電池熱分析

2.1? 鋰離子電池結(jié)構(gòu)組成

鋰離子電池通常由正極、負極、電解液、隔膜、集電器和外殼組成，典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。電極是鋰離子電池內(nèi)部的關(guān)鍵部件，決定了電池的容量和能量密度。已經(jīng)開發(fā)出多種正極材料，這些材料根據(jù)其結(jié)構(gòu)一般可分為3種類型：層狀結(jié)構(gòu)、尖晶石結(jié)構(gòu)和橄欖石結(jié)構(gòu)[9]。層狀結(jié)構(gòu)材料是指那些具有層狀結(jié)構(gòu)的鋰過渡金屬氧化物，如LiCoO2和LiNiO2；尖晶石結(jié)構(gòu)材料通常指LiMn2O4；橄欖石結(jié)構(gòu)材料是含有鋰的過渡金屬磷酸鹽，例如LiFePO4和LiMnPO4。鋰離子電池的電解質(zhì)是含鋰鹽的非水溶液（例如LiPF6）溶解在有機液體混合物的溶劑中，例如碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）、碳酸二乙酯（DEC）或碳酸甲乙酯（EMC）。隔膜用于在內(nèi)部短路的情況下分離正極和負極。雖然鋰離子可以毫無阻礙地通過它，但隔膜是電絕緣體，這意味著電子被阻擋，在正常情況下不允許交叉。此外，當電池內(nèi)部的溫度過高時，分離器將關(guān)閉電池，這就像一個熔斷絲，防止熱失控的發(fā)生。集流器的功能是收集電池產(chǎn)生的電流，它們一般是由負極的銅和正極的鋁分別制成。外殼是支撐整個電池的密封容器，原材料通常是鋼或鋁，以達到滿意的機械和熱物理性能。

2.2? 鋰離子電池工作原理

鋰離子電池的充電/放電過程就是鋰離子和電子的傳輸。在充電過程中，鋰離子從正極粒子中被提取出來，并通過電解質(zhì)和分離器流向負極。為了保持電力平衡，相同數(shù)量的電子同時在正電極顆粒表面釋放。然后這些電子被正極電流收集器收集，并通過外部電路到達負極，形成電荷電流。鋰離子與電子發(fā)生反應，并最終夾雜在正電極材料中。在放電過程中，電化學過程與充電時的情況相反。等量的鋰離子和電子同時從負極逃出，并分別通過內(nèi)部和外部通道遷移回正極。

2.3? 鋰離子電池產(chǎn)熱分析

熱效應引起的溫度變化極大地影響了鋰離子電池的性能，有必要找出熱源以輔助電池熱管理，并預測電池溫度以警告異常情況。

鋰離子電池的產(chǎn)熱根據(jù)其產(chǎn)生原因包括可逆熱和不可逆熱[10]?？赡鏌嵩从谂c電化學反應相關(guān)的熵變化，因此，它也被稱為反應熱或熵熱。不可逆的熱量由活性極化熱和歐姆熱組成。其中，極化是電池開路電位和工作電位之間的偏差，而在固體-電解質(zhì)界面，有一個阻礙電荷轉(zhuǎn)移過程的阻力，在鋰的插層和去插層過程中，需要克服障礙的能量被稱為活性極化熱；歐姆熱或焦耳熱是由固體和電解質(zhì)階段的傳輸阻力引起的能量損失。由于電池內(nèi)部發(fā)熱過程的復雜性，已經(jīng)引入了各種方程，Karimi和Li[11]將局部發(fā)熱方程進行簡寫，具體如公式（4）所示。

3? 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計

3.1? 鋰離子電池熱管理系統(tǒng)的要求

由于鋰離子電池對于溫度非常敏感，故對電池熱管理系統(tǒng)提出以下要求。

1）電池包層面，電池溫度需要保持在25℃和40℃之間，由于電池技術(shù)的改進，可接受的性能和使用壽命的門檻被設(shè)定為50℃，以及在正常工作條件下不超過60℃的安全限制，以提供最佳的操作壽命和性能。

2）電池模組層面，需要確保溫度均勻性，即電池與電池之間的溫差需要低于5℃，否則將產(chǎn)生電化學不平衡，使整個電池組的性能惡化。

3）單體電池層面，單個電池的溫度梯度不應超過3～5℃，以保證最佳性能。

熱管理系統(tǒng)BTMS除了必須滿足的這些基本要求之外，一個好的BTMS還需要滿足幾個要求，例如不僅能夠在極端環(huán)境中在高放電速率條件下安全運行，并且保證功耗低，同時保持低復雜性和低成本。

3.2? 熱管耦合風冷

由于空氣的傳熱系數(shù)低，空氣冷卻系統(tǒng)在某些情況下是不實用的，包括高環(huán)境溫度和高充電/放電倍率條件下，因此，利用有效導熱性好的熱管，與風冷進行耦合，去除熱管冷凝器處多余熱量，進行有效的熱管理。

當熱管的冷凝器不使用額外的組件時，熱量通過自由對流去除。自由對流是日產(chǎn)聆風LeaF的首選熱管理系統(tǒng)（TMS），多年來一直是全球最暢銷的電動汽車。圖2給出了使用自由對流冷卻熱管的BTMS設(shè)計示例。

強制空氣對流是電動汽車時代初期最常見的TMS解決方案，因其簡單性和低成本而被選中。但該技術(shù)有一個固有的缺點，熱介質(zhì)空氣的熱力學性能差。而利用熱管可以彌補上述限制，圖3給出了使用強制空氣對流冷卻熱管的BTMS設(shè)計示例。

4? 結(jié)論

全球已經(jīng)快速增長的電動汽車數(shù)量預計將在未來幾年進一步增加，以實現(xiàn)國際商定的排放目標并減少道路污染。為此，電動汽車的性能需要在全電動續(xù)航里程、充電時間和成本方面得到改善。而發(fā)熱是影響電池老化、安全性和容量的主要因素之一。此外，溫度不均勻性也會導致電池的老化，從而導致電池性能下降。為了避免這種不良行為，開發(fā)有效的BTMS至關(guān)重要。熱管耦合風冷的熱管理技術(shù)具有被動性和出色的熱性能，可以改善電動汽車BTMS的當前技術(shù)水平。

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（編輯? 楊? 景）